Стеклообразование и кристаллизационная устойчивость многожелезистых стекол на основе зол-уноса ТЭС

Abstract

При сжигании угля на тепловых электростанциях образуется зола-уноса – несгораемая минеральная часть угля. Ее алюмосиликатный состав и огромные запасы делают золу-уноса недефицитным техногенным сырьем, которое используется в производстве материалов строительного назначения и которое могло бы стать альтернативой традиционным сырьевым материалам природного происхождения в стекольной промышленности. Суммарное содержание оксидов кремния (SiO2) и алюминия (Al2O3) в золе-уноса близко к составу магнийалюмосиликатных стекол для производства высокомодульных стекловолокон (ВМП), нашедших свое применение в качестве армирующего наполнителя в композитных материалах. Однако содержание железа (Fe2O3+FeO) в золе-уноса, порой достигающее 10 %, является нетипичным для сырья стекольной промышленности, что потребовало изучение свойств стекол при различном его содержании. Известно, что железо в стекле может находиться в двух степенях окисления (FeO или Fe2O3), выполняя различные структурные роли. Наиболее предпочтительной является форма Fe2O3, в которой катион Fe3+ (К.Ч. 4) может формировать структурную сетку стекла, аналогично катиону Al3+ (К.Ч. 4) в составе оксида алюминия (Al2O3), повышая степень связности стекла, механические свойства и кристаллизационную устойчивость. Переходу железа в форму Fe2O3 (К.Ч. 4) способствуют оснόвность стекла (щелочность) и окислительные условия, поэтому были синтезированы щелочная (Na2O-Fe2O3-Al2O3-MgO-SiO2) и бесщелочная (Fe2O3-Al2O3-MgO-SiO2) серии стекол с содержанием Fe2O3 от 1 до 6,6 масс. % взамен Al2O3. Для обеспечения окислительных условий в составе стекольной шихты использовался гептагидрат сульфата магния, разлагающийся при нагревании с выделением SO2 и O2. Проведено политермическое исследование шихт, определена текучесть расплава стекол, характеризующая вязкость, плотность и температура верхнего предела кристаллизации, уровень изменения которых стал критерием оценки формы железа в стекле. Полученные результаты доказывают возможность введения взамен Al2O3 до 6,4 масс. % оксида железа в бесщелочное магнийалюмосиликатное стекло, синтезированное с использованием гептагидрата сульфата магния.